IGBT功率器件及其制造方法与流程

本发明属于半导体功率器件技术领域，特别是涉及一种igbt功率器件及其制造方法。

背景技术：

绝缘栅场效应晶体管(insulatedgatebipolartransistor，igbt)功率器件是由mos晶体管和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为mos晶体管，输出极为pnp晶体管，它融合了这两种器件的优点，既具有mos晶体管驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型晶体管饱和压降低和容量大的优点，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用，特别是占据了较高频率的大、中功率管应用的主导地位。

现有技术的平面结构的igbt功率器件的剖面结构示意图如图1所示，包括在n型半导体衬底中形成的：p型集电极区1；位于p型集电极区1之上的n型场截止区2；位于n型场截止区2之上的n型漂移区7；p型体区3；位于p型体区3内的n型发射极区4，位于p型体区3和n型漂移区7之间的n型的空穴电荷阻挡区8；用于控制igbt功率器件开启和关断的栅极结构，该栅极结构包括栅氧化层5和控制栅极6。现有技术的igbt功率器件中，n型的空穴电荷阻挡区8的掺杂浓度越高，igbt功率器件正向导通压降越小、关断时间越短。但是，在反向偏置状态下，igbt功率器件中的电场峰值位于n型的空穴电荷阻挡区8处，n型的空穴电荷阻挡区8的掺杂浓度越高，igbt功率器件的击穿电压越小。n型的空穴电荷阻挡区8的掺杂浓度对igbt功率器件击穿电压的影响限制了通过调整n型的空穴电荷阻挡区的掺杂浓度对igbt功率器件的正向导通压降和关断时间的优化。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种igbt功率器件，以解决现有技术中通过调整n型的空穴电荷阻挡区的掺杂浓度优化igbt功率器件的正向导通压降和关断时间时对击穿电压产生影响的问题。

为达到本发明的上述目的，本发明提供了一种igbt功率器件，包括：

n型半导体衬底，以及位于所述n型半导体衬底中的：

p型集电极区；

位于所述p型集电极区之上的n型场截止区；

位于所述n型场截止区之上的n型漂移区；

多个第一沟槽，每个所述第一沟槽的下方均设有一个第二沟槽，所述第二沟槽的开口位于所述第一沟槽的底部；

位于所述第一沟槽中的栅氧化层和控制栅极；

位于所述第二沟槽中的场氧化层和屏蔽栅极；

位于相邻的所述第一沟槽之间的p型体区；

位于所述p型体区内的n型发射极区；

位于相邻的所述第二沟槽之间且位于所述n型漂移区和所述p型体区之间的n型的空穴电荷阻挡区，所述n型的空穴电荷阻挡区的掺杂浓度高于所述n型漂移区的掺杂浓度。

可选的，本发明的一种igbt功率器件，所述n型的空穴电荷阻挡区的掺杂浓度由两侧边沿位置向中间位置递减，所述p型体区的底部成“v”形。

可选的，本发明的一种igbt功率器件，还包括位于所述n型半导体衬底中的n型集电极区，所述n型集电极区和所述p型集电极区在所述n型半导体衬底的底部横向交替排布。

可选的，本发明的一种igbt功率器件，所述第二沟槽的开口宽度大于、小于或者等于所述第一沟槽的底部宽度。

可选的，本发明的一种igbt功率器件，所述控制栅极位于所述第一沟槽的内部两侧，所述栅氧化层位于所述第一沟槽的表面与所述控制栅极之间，所述屏蔽栅极和所述场氧化层延伸至所述第一个沟槽内，所述屏蔽栅极通过所述场氧化层与所述控制栅极隔离。

可选的，本发明的一种igbt功率器件，所述第二沟槽中的所述屏蔽栅极均与所述n型发射极区电性连接。

可选的，本发明的一种igbt功率器件，一部分所述第二沟槽中的屏蔽栅极与所述n型发射极区电性连接，另一部分所述第二沟槽中的屏蔽栅极与所述控制栅极电性连接。

本发明还提供了一种igbt功率器件的制造方法，包括：

在n型半导体衬底的上表面形成掩膜层；

通过光刻工艺定义第一沟槽的位置，然后刻蚀掉暴露出的所述掩膜层；

对所述n型半导体衬底进行刻蚀形成多个第一沟槽；

进行n型离子注入，向所述第一沟槽的底部的所述n型半导体衬底内注入n型离子；

进行热氧化，在所述第一沟槽的表面形成栅氧化层，且位于所述第一沟槽底部的半导体衬底内的n型离子进行扩散形成n型掺杂区；

淀积第一层导电薄膜，并对所述第一层导电薄膜进行回刻，在所述第一沟槽的内部两侧形成控制栅极；

对所述栅氧化层和所述n型半导体衬底进行刻蚀，在所述第一沟槽的下方形成第二沟槽，所述第二沟槽将所述n型掺杂区分隔开；

淀积一层场氧化层；

淀积第二层导电薄膜并回刻以在所述第二沟槽内形成屏蔽栅极。

可选的，本发明的一种igbt功率器件的制造方法，还包括：

刻蚀掉位于所述n型半导体衬底的上表面的场氧化层和掩膜层；

进行p型离子注入，在相邻的所述第一沟槽之间形成p型体区；

进行n型离子注入，在所述p型体区内形成n型发射极区；

淀积层间绝缘层，并对所述层间绝缘层进行刻蚀以形成接触孔；

淀积第一金属层，并对所述第一金属层进行刻蚀以形成发射极电极和栅极电极。

可选的，本发明的一种igbt功率器件的制造方法，还包括：

进行n型离子注入，在所述n型半导体衬底内形成n型场截止区；

进行p型离子注入，在所述n型半导体衬底的底部形成p型集电极区；

淀积第二金属层，在所述n型半导体衬底的下表面形成集电极电极。

可选的，本发明的一种igbt功率器件的制造方法，还包括：

进行n型离子注入，在所述n型半导体衬底内形成n型场截止区；

进行p型离子注入，在所述n型半导体衬底的底部形成p型集电极区；

进行n型离子注入，在所述n型半导体衬底的底部形成n型集电极区，所述n型集电极区与所述p型集电极区在所述n型半导体衬底的底部横向交替排布；

淀积第二金属层，在所述n型半导体衬底的下表面形成集电极电极。

本发明提供的一种igbt功率器件，在第二沟槽内形成有屏蔽栅极，在相邻的第二沟槽之间且位于n型漂移区和p型体区之间设有n型的空穴电荷阻挡区，n型的空穴电荷阻挡区的掺杂浓度大于n型漂移区的掺杂浓度。本发明的一种igbt功率器件，屏蔽栅极起到场板的作用，可以调整igbt功率器件在反向偏置状态下的电场峰值的位置，使得igbt功率器件在相同的击穿电压下具有更小的正向导通压降和更短的关断时间。

附图说明

为了更加清楚地说明本发明示例性实施例的技术方案，下面对描述实施例中所需要用到的附图做一简单介绍。显然，所介绍的附图只是本发明所要描述的一部分实施例的附图，而不是全部的附图，对于本领域普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得到其他的附图。

图1是现有技术的一种平面结构的igbt功率器件的剖面结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种igbt功率器件的剖面结构示意图；

图3是对图2所示的一种igbt功率器件的区域100中的沟槽结构的展示图；

图4至图10是本发明实施例提供的一种igbt功率器件的制造方法的制造工艺流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本发明实施例中的附图，通过具体方式，完整地描述本发明的技术方案。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例，均落入本发明的保护范围之内。

应当理解，本发明所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”等术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。同时，为清楚地说明本发明的具体实施方式，说明书附图中所列示意图，放大了本发明所述的层和区域的厚度，且所列图形大小并不代表实际尺寸；说明书附图是示意性的，不应限定本发明的范围。说明书中所列实施例不应仅限于说明书附图中所示区域的特定形状，而是包括所得到的形状如制备引起的偏差等。

图2是本发明实施例提供的一种igbt功率器件的剖面结构示意图，图3是对图2所示的一种igbt功率器件的区域100中的沟槽结构的展示图，图3具体的展示了图2中的第一沟槽和第二沟槽的结构。如图2和图3所示，本发明实施列提供的一种igbt功率器件包括一个n型半导体衬底20，n型半导体衬底20通常为硅衬底。在n型半导体衬底20中形成有：

位于n型半导体衬底20的底部的p型集电极区33，p型集电极区33通过集电极电极42接集电极电压。n型场截止区21位于p型集电极区33之上，n型漂移区22位于n型场截止区21之上。

位于n型半导体衬底20中的多个第一沟槽101，每个第一沟槽101的下方均设有一个第二沟槽102，第二沟槽102的开口位于第一沟槽101的底部，图2中仅示例性的示出了5个第一沟槽结构。可选的，第二沟槽102的开口宽度可以大于、小于或者等于第一沟槽101的底部宽度，图2和图3中，仅示例性的示出了第二沟槽102的开口宽度小于第一沟槽101的底部宽度的结构。当第二沟槽102的开口宽度等于第一沟槽101的底部宽度时，第一沟槽101和第二沟槽102可以分别视为同一个沟槽的上部分和下部分。

位于相邻的第一沟槽101之间的p型体区28，位于p型体区28中的n型发射极区29，p型体区28和n型发射极区29通过发射极电极41接发射极电压。

位于相邻的第二沟槽102之间且位于p型体区28和n型漂移区22之间的n型的空穴电荷阻挡区23，n型的空穴电荷阻挡区23的掺杂浓度大于n型漂移区22的掺杂浓度。

位于第一沟槽101中的栅氧化层24和控制栅极25，以及位于第二沟槽102中的场氧化层26和屏蔽栅极27。优选的，控制栅极25位于第一沟槽101的内部两侧，栅氧化层24位于第一沟槽101的表面与控制栅极25之间，屏蔽栅极27和场氧化层26延伸至第一个沟槽101内，屏蔽栅极27通过场氧化层26在第一沟槽101内与控制栅极25隔离，如图2所示。

控制栅极25通过栅极电极(基于剖面的位置关系，栅极电极在图2中未示出)接栅极电压，从而控制栅极25通过栅极电压来控制位于p型体区28内且位于n型发射极区29和n型的空穴电荷阻挡区23之间的电流沟道的开启和关断，进而控制igbt功率器件的开启和关断。电流沟道是igbt功率器件中当对控制栅极施加栅极电压时在半导体表面形成的积累层及反型层，在本发明实施列附图中，igbt功率器件中的电流沟道结构未被示出。

位于第二沟槽102中的屏蔽栅极27可以接独立的屏蔽栅极电极，也可以均通过金属层与n型发射极区29电性连接，从而屏蔽栅极27均接发射极电极41；可选的，也可以是，一部分第二沟槽102中的屏蔽栅极27通过金属层与控制栅极25电性连接，从而可以调整控制栅极25的电容大小，同时，另一部分第二沟槽102中的屏蔽栅极27通过金属层接发射极电极41，从而可以起到场板的作用。基于剖面的位置关系，本发明中的屏蔽栅极27与n型发射极区29和控制栅极25的连接结构在本发明实施例附图中未示出。

层间绝缘层31用于将各金属电极之间隔离，层间绝缘层31通常为硅玻璃、硼磷硅玻璃或磷硅玻璃等材料。

本发明一种igbt功率器件，屏蔽栅极接发射极电压时，起到场板的作用，可以调整igbt功率器件在反向偏置状态下的电场峰值的位置，本发明的一种igbt功率器件在反向偏置状态时，电场峰值位于n型的空穴电荷阻挡区和n型漂移区之间且靠近第二沟槽的位置处，从而通过提高n型的空穴电荷阻挡区的掺杂浓度来降低igbt功率器件的正向导通压降和关断时间时，可以使igbt功率器件的反向击穿电压不受影响，也就是，在相同的击穿电压下，本发明的一种igbt功率器件具有更小的正向导通压降和更短的关断时间。

本发明的一种igbt功率器件，n型的空穴电荷阻挡区23的掺杂浓度可以由两侧边沿位置向中间位置递减，即n型的空穴电荷阻挡区23的两侧靠近第二沟槽102处的掺杂浓度大于其中间位置处的掺杂浓度，此时，p型体区28的底部成“v”形，如图2所示，在此种结构下，在不缩短igbt功率器件中的p型体区28内的两侧的电流沟道长度时，可以增加p型体区28的中间位置处的深度，从而可以降低igbt功率器件中的寄生npn三极管的基区电阻和放大倍数，提高igbt功率器件的抗闩锁效应。

本发明的一种igbt功率器件，还可以在n型半导体衬底的底部形成n型集电极区，p型集电极区和n型集电极区在n型半导体衬底的底部横向交替排布，p型集电极区和n型集电极区均通过金属集电极电极接集电极电压。位于n型半导体衬底底部的横向交替排布的p型集电极区和n型集电极区的结构是现有技术中的常用结构，本发明实施例中不再详细描述。

图4至图10是本发明实施例提供的一种igbt功率器件的制造方法的制造工艺流程图，图4至图10仅示例性的示出了本发明的一种igbt功率器件在制造过程中的主要结构。

首先，如图4所示，提供一n型半导体衬底20，n型半导体衬底20通常为硅衬底。在半导体衬底20的上表面形成掩膜层50，掩膜层50通常包括位于n型半导体衬底20之上的氧化硅层和氮化硅层。之后通过光刻定义第一沟槽的位置，然后对掩膜层50进行刻蚀将n型半导体衬底20暴露出来，然后以掩膜层50为掩膜对半导体衬底20进行刻蚀以在n型半导体衬底20中形成多个第一沟槽101(仅示例性的示出了5个第一沟槽101结构)。在对n型半导体衬底20进行刻蚀时，通过对n型半导体衬底20增加横向的刻蚀，使得第一沟槽101的两侧向掩膜层50的下方延伸。

接下来，进行n型离子注入，向第一沟槽101的底部的n型半导体衬底20内注入n型离子。然后进行热氧化在第一沟槽的表面形成栅氧化层24，此时位于第一沟槽101下方的n型半导体衬底20内的n型离子进行扩散，从而在n型半导体衬底20中形成n型掺杂区82，n型掺杂区82的掺杂浓度应大于n型半导体衬底20的掺杂浓度，且n型掺杂区82的掺杂浓度应从第一沟槽101下方的位置处向四周方向递减。之后淀积第一层导电薄膜并回刻，在第一沟槽101的内部两侧形成控制栅极25，控制栅极25位于掩膜层50的下方，如图5所示。

接下来，刻蚀掉暴露出的栅氧化层24，并继续对n型半导体衬底20进行刻蚀，在n型半导体衬底20中形成第二沟槽102，从而第二沟槽102的开口位于第一沟槽101的下方，同时第二沟槽102将n型掺杂区82分割成多段，从而形成位于相邻的第二沟槽102之间的n型掺杂区82，这即为位于相邻的第二沟槽102之间的n型的空穴电荷阻挡区23，如图6所示。由于n型掺杂区82是通过n型离子从第一沟槽101下方的位置处向四周方向扩散形成，因此，此时形成的n型的空穴电荷阻挡区23的掺杂浓度由两侧位置处向中间位置处递减，也就是n型的空穴电荷阻挡区23的两侧靠近第二沟槽102处的掺杂浓度大于其中间位置处的掺杂浓度。

接下来，先进行热氧化，然后再淀积一层氧化硅形成场氧化层26，接下来淀积一层多晶硅并回刻在第二沟槽102内形成屏蔽栅极27，然后刻蚀掉位于n型半导体衬底20的上表面的场氧化层26和掩膜层50，屏蔽栅极27向上延伸至第一沟槽101内，屏蔽栅极27在第一沟槽101内通过场氧化层26与控制栅极25隔离，如图7所示。

控制栅极25和屏蔽栅极27的材质通常都为掺杂的多晶硅。

接下来，进行p型离子注入并退火，在n型半导体衬底20内形成位于第一沟槽101之间的p型体区28，接着进行n型离子注入并退火，在p型体区208内形成n型发射极区29，如图8所示。由于n型的空穴电荷阻挡区23的n型离子的掺杂浓度分布关系，p型体区28的底部应成“v”形。

接下来，淀积层间绝缘层31，层间绝缘层31通常为硅玻璃、硼磷硅玻璃或磷硅玻璃等材料。然后对层间绝缘层31进行刻蚀形成接触孔，然后淀积第一金属层并对第一金属层进行刻蚀以形成发射极电极41和栅极电极(基于剖面的位置关系，栅极电极在本发明附图中未示出)，如图9所示。n型发射极区29和p型体区28通过发射极电极41接发射极电压，控制栅极25通过栅极电极接栅极电压。屏蔽栅极27应接发射极电极41，从而屏蔽栅极27通过发射极电极41接发射极电压，但是基于剖面的位置关系，该连接结构在本发明实施例附图中未示出。

可选的，在层间绝缘层31中形成接触孔以及发射极电极和栅极电极时，可以使一部分第二沟槽102中的屏蔽栅极27接金属发射极电极，而另一部分第二沟槽102中的屏蔽栅极27接栅极电极，本发明实施例中不再具体展示该结构。

最后，进行n型离子注入，在n型半导体衬底20中形成n型场截止区21，接着进行p型离子注入在n型半导体衬底20的底部形成p型集电极区33，最后在n型半导体衬底20的下表面淀积第二金属层以形成集电极电极42，p型集电极区33通过集电极电极42接集电极电压，如图10所示。

可选的，在形成p型集电极区33后，可以再进行n型离子注入在n型半导体衬底20的底部形成n型集电极区，n型集电极区和p型集电极区33应在n型半导体20衬底的底部横向交替排布，最后在n型半导体衬底20的下表面淀积第二金属层以形成集电极电极，n型集电极区和p型集电极区33均通过集电极电极42接集电极电压，本发明中不再具体展示该结构。

以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种igbt功率器件及其制造方法的技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。